（机械制造及其自动化专业论文）新型木基复合材料制备与性能研究.pdf

摘要 林业“三剩物”( 截伐剩余物、营林剩余物、加工剩余物) 资源丰 富，“高效利用技术研发”被国家中长期科学和技术发展规划纲要 ( 2 0 0 6 - 2 0 2 0 ) 列为优先主题。笔者以杨木枝桠材等的粉末为基材，以 电解紫铜粉为增强体，通过自主研发的高压模塑成形工艺制备杨木紫铜 粉末新型木基复合材料：借助响应面设计软件( d e s i g ne x p e r t ) 、三维立 体数码显微镜( 3ds s d d m ) 、扫描电子显微镜( s e m ) 等实验设计与分 析手段，优化成形工艺，分析、表征试件的性能与结构。力求在人造板、 造纸、生物质能源等应用领域之外开辟新的清洁高效利用途径。论文的 主要研究内容、研究方法及得到的相应研究结果如下： ( 1 ) 通过研究杨木、松木、毛竹等的加工剩余物粉末的堆密度、颗 粒形貌、粒度分布、压缩性和成形性等，筛选制备木基复合材料的基材。 结果表明：杨木粉末振实系数最高( 达到1 4 9 8 ) 、成形性最佳( 达到 0 8 9 m p a ) 、利于无胶模塑成形的纤维素、木质素等主要化学成分含量最 高( 达到7 9 6 ) 。因此，将杨木粉末定为木基复合材料制备的基材。 ( 2 ) 融合金属粉末温压成形与木质材料无胶热压成形原理与技术， 采用封闭式刚性模对杨木粉末实行高压模塑成形；结合单因素试验和响 应面实验设计与分析法，以杨木粉高压模塑成形材料的静曲强度、吸水 率、内结合强度等为评价指标，对木质基复合材料的高压无胶模塑成形 工艺参数进行优化。获得的最佳高压模塑成形工艺条件为：成形温度 16 0 、成形压力7 0 m p a 、保温时间3 0 m i n 。 ( 3 ) 根据杨木粉末工艺特性研究成果设计杨木粉末滑轴承高压无胶 模塑成形模，并对成形阴模和上下模冲进行了强度校核。结果表明，所 设计的模具满足成形工艺要求，且试件尺寸稳定性较好。 ( 4 ) 不同混合比例的杨木紫铜粉末复合材料的性能与结构分析、表 征结果表明： 紫铜粉末的添加对增强木基复合材料的强度有利，但当紫铜粉添 加量大于5 0 w t 时，木基复合材料的静曲强度、内结合强度、压溃强度 等力学指标的增幅十分有限，甚至出现个别力学性能指标( 如表观硬度) i v 呈下降趋势。因而认为当紫铜粉末的添加量达到5 0 w t 时，木基复合材 料的综合力学性能最佳。 试件s e m 断口形貌表明，高压无胶模塑成形木基复合材料结合 界面有胶粘物。正因这种胶粘物润湿并使杨木粉末颗粒间、杨木粉颗粒 与铜粉间的界面变得模糊，认为发生了热塑融合，从而使复合材料的材 质密实而强韧；铜粉的添加能阻碍裂纹的生长，在木基复合材料中起到 了弥散强化作用；但铜粉的添加量过大，会诱发木基复合材料的脆弱连 接，对复合材料的综合性能不利。 关键宇：木基复合材料；无胶模塑成形；响应面分析法；特性表征 v a b s t r a c t t h r e er e m a i n sa n ds h o d d ya n dl i t t l ef u e l w o o do ff o r e s t r yh a sar i c h r e s o u r c e s ，“h i g he f f e c tu t i l i z a t i o nt e c h n i q u es t u d y ”w a sc o n s i d e r e dt ob e t h ep r e f e r e n t i a lt o p i cb yn a t i o n a lg u i d e l i n eo nm e d i u m a n dl o n g - t e r m p r o g r a mf o rs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t t h ew o o dm a t r i xc o m p o s i t e sp r e p a r a t i o nf o r m i n gh i g h - p r e s s u r em o l d f o r m i n gp r o c e s s ，w h i c hi sc o n s i s t e do fp o p l a rp o w d e ra sb a s er a wm a t e r i a l a n d e l e c t r o l y t i cc o p p e rp o w d e r a s i n t e n s i f y i n g m a t e r i a l w i t h t h r e e - d i m e n s i o n a l d i g i t a lm i c r o s c o p y ( 3 ds s d d m ) ，r e s p o n s es u r f a c e d e s i g ns o f t w a r e ( d e s i g ne x p e r t ) ，s c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n d o t h e r e x p e r i m e n t a ld e s i g n a n d a n a l y s i sm e t h o d s ， s c r e e n i n g r a w m a t e r i a l s ，o p t i m i z i n gt h ew o o dm a t r i xc o m p o s i t e sf o r m i n gp r o c e s s ，a n d c h a r a c t e i i z i n g t h es t r u c t u r eo fw o o d m a t r i x c o m p o s i t e s a i m i n g a t e x p l o r i n gt h en e we f f i c i e n tu t i l i z a t i o no ft h r e er e m a i n sa n ds h o d d ya n d l i t t l ef u e l w o o db e s i d e st h eo l da p p l i c a t i o nf i e l ds u c ha sw o o d b a s e dp a n e l ， p a p e ri n d u s t r ya n dw o o d yb i o - e n e r g y t h r o u g ht h es t u d y ，t h ea u t h o rg e t s c o n c l u s i o n sa sf o l l o w i n g s ( 1 ) s e l e c t i n gt h er a wm a t e r i a l so ft h ew o o dm a t r i xc o m p o s i t e sb y s t u d y i n g t h eb u l k d e n s i t y ，g r a n u l em o r p h o l o g y ，p a r t i c l e s i z e d i s t r i b u t i o n ，c o m p r e s s i o na n df o r m a b i l i t yo fp o p l a rp o w d e r ，p i n ep o w d e r a n db a m b o op o w d e r t h er e s u l t ss h o wt h a tp o p l a rp o w d e rh a st h eh i g h t e s t s h a k e c o e f f i c i e n t ，t h e b e s t p r o c e s s i n gp r o p e r t y ，t h e m o s tb e n e f i c i a l c o m p o n e n tc o n t e n tf o rs e l f b o n d i n gm o l df o r m i n g t h e r e f o r e ，t h ep o p l a r p o w d e ri sc h o o s ef o rt h eb a s er a wm a t e r i a lo fw o o dm a t r i xc o m p o s i t e s ( 2 ) c o m b i n i n g w o o d h o t - p r e s s i n gf o r m i n g a n dt h e t h e o r y a n d t e c h n o l o g yo fw a r mp r e s s u r ef o r m i n g u s i n gc l o s e dr i g i dt os p e c i m e n so n h i g h p r e s s u r em o l df o r m i n g ；t oo p t i m i z et h ep r o c e s sf o rp o p l a rp o w d e r h i g h p r e s s u r em o l df o r m i n gt e c h n i q u e ，as e r i e so fo n e f a c t o rt e s t sw a s f i r s t l yu s e dr e s p e c t i v e l yt ot e s tt h ef o r m i n gp r e s s u r e ，f o r m i n gt e m p e r a t u r e ， a n dh o l d i n gt i m ee f f e c t a n dt h e no nt h eb a s i so fp r e v i o u sr e s u l t sa n dw i t h t h e r e s p o n s e s u r f a c e m e t h o d o l o g y ，o p t i m a z i n gf o r m i n gp r o c e s sb y v i e v a l u a t i n g t h e p r o p e r t y i n d e x ， w h i c hi n c l u d es t a t i c b e n d i n g s t r e n g t h ，i n t e r n a lb o n ds t r e n g t h ，w a t e ra b s o r p t i o n ，e t c t h eo p t i m a lo fp o p l a r p o w d e rh i g h p r e s s u r em o l df o r m i n gp r o c e s sw a ss h o wt ob e ：f o r m i n g p r e s s u r eo f7 0 m p a ，f o r m i n gt e m p e r a t u r eo f16 0 a n dh o l d i n gt i m e o f 3 0 m i n ( 3 ) a c c o r d i n gt o t h e c h a r a c t e r i s t i c so fc o p p e rp o w d e ra n dt h es i z e v a r i a b i l i t yo fp o p l a rp o w d e rh i g h p r e s s u r em o l df o r m i n gm a t e r i a l ，d e s i g n sa s e to fh i g h p r e s s u r em o l d i n gf o r m i n g m o l dw h i c hu s e df o r p r e p a r i n g s e l f - l u b r i c a t i n gb e a r i n g b a s eo nt h ew o r k i n gr e q u i r e m e n tc h e c kt h ed i e s t r e n g t h ，t h e r e s u l t ss h o w t h a t ，t h ed i em e e tt h er e q u i r e m e n to f h i g h - p r e s s u r em o l df o r m i n gp r o c e s s ( 4 ) w i t ht h eh e l po f3 ds s d d m ，s e ma n do t h e rm o d e r ni n s t r u m e n ta n d m e a n s ，a n a l y s i st h ed i f f e r e n c em i xp r o p o r t i o no fw o o dm a t r i xc o m p o s i t e s p e r f o r m a n c ea n do r g a n i z a t i o n a lm o r p h o l o g y ，c o n s i d e r i n gt h a t ： o t h ec o p p e rp o w d e re n h a n c es t r e n g t ho ft h ew o o dm a t r i xc o m p o s i t e s e f f e c t i v e l y ，b u tw h e nt h ea d d i t i o ni s m o r et h a n5 0 w t ，t h em e c h a n i c a l i n d e x sh a v eal i m i t e d i n c r e a s i n ge x t e n t ，e v e na p p e a r e dt od e c l i n e s o ，t h e a p p r o p r i a t et h ec o p p e rp o w d e ra d d i t i o ni s5 0 w t t h es e ma n a l y s i ss h o w st h a tt h ew o o dm a t r i xc o m p o s i t e sh a v e a d h e s i v et h i n g sb yh i g h - p r e s s u r em o l df o r m i n gp r o c e s s ，w h i c hc a np r o d u c e w e t t i n ge f f e c to np o p l a rp o w d e rp a r t i c l e sa n dc o p p e rp o w d e rp a r t i c l e s ，a n d t h e ne l i m i n a t e m i c r o g a p s ，m a k i n g t h e c o m p o s i t e s d e n s i f i c a t i o na n d p l a s t i c i z i n g t h ec o p p e rp o w d e rc a nh i n d e rt h eg r o w t ho fc r a c k ，p r o d u c i n ga e f f c t d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g i nw o o dm a t r i x c o m p o s i t e s ，b u t t h e o v e r a d d i n go fc o p p e rp o w d e ri n t r o d u c i n gt o om u c hf r a g i l ec o n n e c t i o n ， w h i c hg o e sa g a i n s tt h ec o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c eo fm a t e r i a l s k e y w o r d s ： w o o dm a t r i x c o m p o s i t e s ；h i g h - p r e s s u r e m o l d f o r m i n g ； r e s p o n s es u r f a c em e t h o d o l o g y ；p r o p e r t i e sc h a r a c t e r i z a t i o n v l l 硕：l ：学位论文新型木基复合材料的制备j 性能研究 l 绪论 1 1 引言 木质材料是当今世界四大材料( 钢材、水泥、木材和塑料) 中唯一可再 生，可自然降解的生物资源，并且作为一种性能优越的材料被广泛应用 于建筑、家具、造纸、交通等各个领域。为了能更好地实现木材的高效 利用，新的生长点和交叉点不断出现，并不断向其他相关学科延伸，如 木塑复合材料、木材金属复合材料、石膏刨花板、水泥刨花板等。木 基复合材料因同时具有木材基体与添加增强体的特性得到了快速的发 展，木材与金属复合后综合了木材和金属不仅具有木质材料比强度高、 密度小、质地暖、缓冲等的特点，而且具有金属强度高、表面耐磨、导 电等优点，实现了木材的高性能化和功能化【1 。6 1 。但是，以木材为基体的 木基复合材料的制备均采用人造板的热压成形工艺，因此木基复合材料 的力学性能受到了限制。木材金属复合材料虽然以金属作为增强体复 合，但是其力学性能并没有得到大幅度的提高，因此目前研究的木材金 属复合材料只能应用于建筑和家居，很少用于机械零件。或许，寻求新的 木材金属复合材料成形工艺，能实现木材金属复合材料功能化的同时提 高材料的强度，拓宽木材金属复合材料的使用范围。 1 2 木基复合材料热压成形的研究现状与局限性 1 2 1 人造板热压工艺的研究现状 人造板的热压工艺是指通过施加外界压力，使分离的木质单元及胶 粘剂接触并形成密实的板坯，同时通过升温，使板坯内的胶粘剂固化并 在分离的木质单元之间形成胶结点，从而形成具一定厚度、一定平均密 度和剖面密度分布以及相应物理、力学性能的人造板材的过程及其技术 【7 。13 1 。根据热压工艺的定义，可以知道影响人造板材质量的工艺条件包 括：热压温度、热压压力和热压时间，此外还有胶粘剂的作用，因此， 以下从热压工艺条件和胶粘剂的使用研究现状展开讨论人造板热压工艺 硕士学位论文新型术基复合材料的制备1 0 性能研究 的研究现状。 ( 1 ) 热压工艺三因素的研究现状 热压温度、热压压力和热压时间是热压工艺的三因素。为了获得低 密度的人造板坯和高效生产率，人造板热压时间非常短，热压采用的压 力很低，同时为了增加传热速度，采用较高的热压温度。 热压温度是胶粘剂固化的能量来源，人造板热压时间比较短，一般 只有5 - 7 m in ，因此热压方式对板坯热量传送、温度分布起决定性作用。 人造板加热方式主要有热压板接触式加热、高频介质加热及蒸汽喷射加 热。热压板接触式热压是最早最广泛使用的人造板热压方式，接触式加 热由于存在板坯表面温度高于芯层温度的问题，且温度差越大，需要加 热的时间就越长，不宜生产过厚的板坯【1 3 16 1 。高频介质加热具有加热速 度快、加热均匀、加热有选择性、产品质量好等优点，是近三十年来发 展起来的一门新技术【1 6 。17 1 ，在人造板行业中，高频加热技术对压制厚板 尤其具有优越性，用高频加热生产的刨花板和纤维板，断面密度趋于一 致，是制造家具的好材料，但高频加热技术单独使用时，得到的板坯表 层质量低，且该技术电能消耗大，因此在生产中，大都采用高频一接触联 合热压的方法。蒸汽喷射热压技术的原理是 1 9 - 2 3 】：在热压过程中将高温 蒸汽注人板坯中，使板坯内部温度快速升高至胶的固化温度之上，加速 胶的固化，有效缩短了热压周期。何泽龙等人【”】的研究表明，采用喷蒸 热压技术，板坯芯层温度几乎在瞬间就可以上升到l0 0 以上，而传统热 压板坯中心温度上升到l0 0 以上则需要7 m in 左右。蒸汽喷射热压方式 能有效提高人造板的生产效率，保证产品产量，减少能耗，降低成本， 在人造板生产行业中具有广阔的应用前景。 热压压力的基本作用是使被胶合材料紧密接触，同时将人造板板坯 缩至所要求的厚度和密度，为了控制板坯的密度和生产的成本，人造板 行业采用最大热压压力值一般保持低于lo m p a 。早期的国产平压法热压机 使用厚度规生产人造板，采用的传统热压工艺压力曲线有一段式压力曲 线、两段加压法和逐段降压法，都存在保压阶段部分压力由厚度规承担 的问题，若是保压阶段压力过小，就无法满足板坯成形需要，因此热压 板产生了横向弯曲变形的问题没有得到根本的解决。得益于自动化控制 技术的发展，现代化热压可通过位置传感器及压力传感器，来综合调节 2 硕：l 学位论文新型小基复合材料的制备与性能研究 热压产品的热压过程，使压力变化能更为柔和的过渡，节能效果显著， 同时还可以通过修改程序灵活的根据热压温度、热压时间、压制坯的形 态、树脂的品种和树脂的工艺等不同而对热压曲线进行修整【1 9 之0 1 。 ( 2 ) 无胶胶合技术的发展契机和研究现状 三醛胶( 脲醛树脂胶、酚醛树脂胶及三聚氰胺甲醛树脂胶) 以其应 用广、使用简便、经济效益高的特点，一直作为我国人造板行业的主要 胶粘剂，但是甲醛含量高、释放量大是行业共识，随着人造板工业对高 质量环保胶粘剂需求的增大，“三醛 胶也在进行自我完善的研究中。朱 丽滨【3 6 】通过对低甲醛释放u f 树脂胶粘剂工艺优化试验，确定了最佳的合 成工艺，合成了3 种低甲醛u f 树脂胶粘剂，并通过改性开发出一种低成 本u f 树脂胶粘剂。 “三醛 胶无论如何发展，始终无法达到零甲醛释放量，随着人类 环保意识的增强，对无毒性装修材料需求越来越强烈，许多学者开始研 究进行无毒胶粘剂的合成。目前，市场上已经存在含毒量低或完全不含 毒的胶种，但其胶合效果较差，产量很低，同时价格不菲【32 1 。比如异氰 酸醋，无毒，而且胶合性能良好，但是生产原料的来源十分稀缺，而且 加工困难，价格高昂，无法批量大规模生产。专家们也曾探索过植物蛋 白胶，虽然无毒性，但其胶合性能差强人意。以上出现的问题，自然会 让人联想到解决问题的最本质方法应该是探索利用原料自身含有的胶合 能力来替代现有的胶种，无胶胶合技术的研究迎来了契机1 3 9 - 4 0 。 湿法硬质纤维板是无胶胶合技术成功进行人造板生产应用的首例， 湿法生产纤维板工艺的无胶结合机理认为【2 5 】：纤维板的制备得益于纤维 之间相互交织产生摩擦力、纤维表面分子之间产生结合力和纤维含有物 产生的胶结力等力的共同作用。但是湿法生产纤维板工艺存在大量废水 排放的问题，因此研究者试探研究利用干法无胶热压成形工艺制备具有 一定强度的制品，并研究其无胶胶合的机理。 o tt os u c h sla n d 5 5 】使用蒸气对精加工的爆破浆料进行处理，发现随 着蒸汽压力的提高，干法纤维板板材除线性膨胀率外，各项性能指标均 有较大提高，认为结论半纤维素是构成“自胶合 的主要成分，木素加 强了板材尺寸稳定性。 k el le y s s t 5 6 】用荧显微镜和扫描电镜观察和研究了以硝酸为氧化剂 硕士学位论文新型术摹复合材料的制备与性能研究 处理木材的表面状态及其胶合机理时提出，硝酸可以将木材细胞壁的化 学组分一多糖和木素转变成胶合键形式，使木材表活化从而产生胶粘物 质。 19 9 6 年，曹忠荣，阎吴鹏，郭文莉等【5 7 】利用化学分析方法和红外光 谱等分析法系统地研究了以木材为原料的无胶制板过程中木材化学成分 的变化及作用，认为热磨和热压过程中的纤维素与木质素的降解，有利 于形成具有胶粘能力的树脂聚合物。 1 2 2 木基复合材料的研究现状 目前木材金属复合材料研究都是以追求木质材料的功能化为目的， 其获得方法有填充、混杂、复合和表面覆盖等，论文主要研究金属增强 体的填充。 罗朝辉研究将镍粉末与铜粉末与刨花( 纤维) 、胶粘剂等同时搅拌， 然后经热压复合得到木材金属复合材料，发现铜粉末的加入使复合材料 的静曲强度稍有提高，而镍粉末的加入量增大，复合材料的静曲强度反 而下降，说明金属粉末的加入影响胶粘剂的性能。 王俊岭【2 】用镍屏蔽织物与人造板粘合，用聚醋酸乙烯乳液作胶粘剂， 在室温条件下，加压压力为0 5 m p a ，加压时间为8 0 m i n 得到的复合材料 的静曲强度最大值为3 6 3 m p a ；对比研究采用粗化铜箔与人造板胶合， 胶粘剂为双酚a 型环氧树脂。在固定胶接压力为0 2 m p a ，涂胶量为 lo o g m 2 ，在8 0 热压温度下热压6 0 m i n ，得到的复合材料的静曲强度最 大值为4 5 6 m p a 。 刘贤淼【3 】利用铜纤维作为导电填料施加到u f 胶中，涂在落叶松单板 中间压制成导电胶合板，铜纤维长度为9 lo m m ，施加量为l 2 0 9 m 2 ， 涂胶量为2 5 0 - - - - , 3 0 0 9 m 2 制得的胶合板屏蔽效能达到使用要求，但强度却 非常低。 华毓坤，傅峰【4 】在脲醛树脂中分别添加三种导电剂压制导电胶合板， 三种导电剂均使胶层面积电阻率降至lo oq 以下，研究表明，导电粉也可 起到填充剂的作用，降低了胶层的脆性，板坯的胶合强度最高达到了 1 4 8 m p a 。 木材金属复合材料的强度均比较低，因为金属材料与木质材料的复 4 硕j ：学位论文新型术幕复合材料的制备! j 性能研究 合是利用材料表面的凹凸结构进行机械吸附结合，而热压成形工艺热压 时间比较短，压制压力也比较低，这些条件均不利于金属材料与木质材 料表面的机械吸附，且热压成形的胶粘剂遇热很容易固化，因此胶粘剂 对金属材料表面的润湿是非常有限的，结合程度非常低。由此，我们通 过以下对利用人造板热压工艺制备木基复合材料的局限性进行探讨，为 木材金属复合材料的成形寻找新的思路。 1 2 3 木基复合材料热压成形工艺的局限性 ( 1 ) 施胶热压以其高效率低成本等优点，一直作为人造板和木基复 合材料生产的主要工艺，但是施胶热压工艺所使用的“三醛 胶存在着 甲醛释放的问题，严重影响人类的身体健康，而含毒量低或完全不含毒 的胶种目前也有，但其胶合效果较差，产量很低，同时价格不菲。无胶 热压工艺大都采用化学试剂处理木质材料，使其表面发生活化，从而产 生具有胶粘性的物质，而木质材料上残留的化学试剂是否会危害人体健 康、导致材料使用中的不安全性和降低材料使用寿命，目前尚无报道： 蒸爆法处理的植物碎料，经热压后获得的板坯当密度达到1 2 5 9 c m 3 时， 强度仅为3lm p a 。因此认为，是否热压成形方法并不适用于人造板以及木 基复合材料的无胶成形呢? ( 2 ) 木质材料流变学认为，在人造板的压密过程中，填料随着压缩程 度的加深，逐渐引入了压缩应力，这些应力会由于木质部产生粘弹性和粘 性变形，随着时间的延长而逐渐松弛。但在热压过程中热压周期太短和胶 粘剂的固化使压应力不能完全释放。当板坯浸入水中或放在高湿环境中 时会吸收水分，引起木组织润胀和软化作用，使内部压缩应力释放，并导 致在木材细胞壁组织自然膨胀的基础上增添了不可逆厚度膨胀。 ( 3 ) 人造板热压工艺采用开放式平板对填料进行压制，不平整的填 料在压力作用下，进行横向移动，但压合速度明显大于填料自我均匀化 的速度，且热压时间短、热压压力低于1o m p a 以及胶粘剂遇热容易固化 等问题郜容易导致密度的不均匀，同时，在木材行业中，边角料由于密 度低性能差一般予以切除，造成了资源的浪费。 5 硕士学位论文 新型术基复合材料的制备与性能研究 1 3 木基复合材料高压无胶模塑成形的理论依据 1 3 1 金属粉末温压成形原理与对本课题的启示 粉末温压成形技术是一种在传统冷压工艺基础上发展起来的新工艺， 能以较低的成本制造出高密度、高性能的粉末冶金零部件，为粉末冶金零 部件在性能与生产成本之间找到了一个最佳的结合点。流动温压和热模 压制是粉末温压成形最新发展成果【6 2 “3 1 。金属粉末温压成形相比传统加 工方法制备出综合性能更加优异的零件，温压成形理论对木基复合材料 无胶压制成形的启示如下： ( 1 ) 金属粉末温压成形机理认为密度显著的影响粉末冶金材料的力 学性能，要扩大粉末冶金零件的应用范围，必须实现制品的高性能化和 低成本化，而实现这一目标的最有效方法是使粉末材料高致密化。金属 粉末高致密化产生的高强度为木基复合材料突破强度的瓶颈从而进入机 械制造工程行业的前景提供了思路。 ( 2 ) 金属粉末温压成形机理认为合适的温度可使粉末颗粒的加工硬 化得以有效消除，使得粉末颗粒的塑性变形能力得到改善，使小颗粒粉 末得以充分添入大颗粒粉末的间隙中，最终使压坯的密度得到提高。木 基复合材料高压无胶成形得益于高温、高压和封闭刚性模条件下木质素 的溶出并重新缩聚在纤维表面，润湿纤维与铜颗粒，从而消除各单元之 间的界限形成整体。 ( 3 ) 金属粉末温压成形机理认为合适的粉末粒度及粒度分布，温压 条件下更易压制成致密的零件。 ( 4 ) 刚性封闭模、高压是金属粉末温压成形使原料最大限度密实化， 从而获得高密度、高精度和优异力学性能的压坯的有力保障。刚性封闭 模、高压的工艺为高附加值木基复合材料提供了一条新的成形工艺路线。 1 3 2 木质粉末模塑成形流变特性 王培元的研究结果表明，当木材受压缩力作用时，产生几种不同类 型的变形：弹性变形、推迟弹性变形及塑性变形，弹性变形与推迟弹性变 形属于可恢复变形，塑性变形是永久变形。弹性变彤与推迟弹性变形会 6 硕士学位论文 新型术綦复合材料的制备j 性能研究 导致制品的内应力、尺寸的不稳定性与吸水膨胀，因此在成形过程中， 应尽量促进弹性变形与推迟弹性变形向塑性变形发展。木材是一种粘弹 体，在一定温度下，木材呈现的粘性比弹性显著，这是因为合适的温度 有助于木质素的熔化，形成粘流体浸润纤维表面，木质素分子链与降解 物之间结合键的形成、滑移和重组生成胶结物质，从而塑化了粉末的细 胞壁组织，促进弹性应变向粘性和粘弹性应变的发展，因此合适温度的选 择尤为重要。而且，无胶成形过程r f l ，适当的延长热压时间，制品中的 推迟弹性变形的释放量越大，越有利于提高使用寿命，因此压制压力越 高，引入的内应力越大，则需要热压的时间也应需增加，制品的性能越 佳。木质粉末模塑的流变特性表明了，选择合适的温度并适当的延长成 形时间是获得优异性能木基复合材料的途径。 1 3 3 木质粉末高压无胶模塑成形机理的研究现状 何翠芳等研究将植物碎料装入高压密闭容器内，在一定压力和温度 下，用蒸汽将植物碎料加热处理一段时间，然后热压制备无胶纤维板， 发现棉秆蒸爆纤维的电镜照片可看到纤维表面上覆盖着一层碎片状无定 形物质，如图1 1 ，认为该物质是木素在 蒸爆热和压力的作用下，达到玻璃态后溶 出，冷却后重新缩聚并最终沉积于纤维 表面上形成的 2 】。同时何翠芳进行结晶 度、红外线和抽提等分析，发现在蒸爆处 理过程中热和压力的作用下，产生甲酸和 乙酸，从而催化纤维素和半纤维素热压时 降解生成大量单糖，游离单糖在高温下转 变为可与木素缩合成酚醛树脂的糠醛类图卜1 棉秆蒸爆s e m 照 物质，酚醛树脂在热压时起到了胶粘剂的作用；蒸爆处理的棉秆热压时 还会形成的木质素一碳水化合物复合体，增加了材料的自我胶粘能力。 塞莫戴恩模压成形方法的特点是在模压过程中完全密封，木材碎料 在2 0 一- 3 0 m p a 的压力及16 0 - - - 2 9 0 温度下，不让挥发物散发，碎料中半 纤维素水解，产生醋酸和蚁酸，进一步水解使木素一纤维素的结合破坏， 硕士学位论文 新型术基复合材料的制餐与性能研究 木素“活化 使木材碎料塑化【“】。 因此认为，塞莫戴恩模压成形方法过程中的完全密封的高温压制条 件与植物碎料蒸爆的高温高压密闭条件如出一辙，木材或植物碎料在该 高压高温密闭环境中木质素溶出均有利于一定温度压制时产生胶粘物 质，在压制力的作用下，流展并湿润纤维等表面从而消除了纤维之间的 界面，冷却后固化胶合板坯。塞莫戴恩模压成形方法认为是实现了木材 碎料蒸爆与压制的同步进行，木粉高压无胶成形就是借鉴这一压制工艺 进行设计，但塞莫戴恩模压成形工艺条件是否最合适木基复合材料高压 无胶成形，论文的研究结果将会揭晓答案。 1 4 论文的研究意义 ( 1 ) 刚性封闭模高压无胶模塑成形可解决人造板热压工艺导致的材 料强度瓶颈问题，为制备高密度、高附加值木基复合材料提供了一种可 行的方法，丰富了木基复合材料生产技术内容； ( 2 ) 本文涉及的木基复合材料以杨树枝桠材为基材，意在为林业三剩 物( 截伐剩余物、营林剩余物、加工剩余物) 高质清洁利用( 如替代天 然铁梨木制作高档家具、替代烧结青铜加工滑动轴承等机械零件) 开拓 新领域，同时也可缓解林木资源的紧缺问题； ( 3 ) 根据木质粉末特性进行高压模塑成形工艺的模具设计，为木质粉 末高压模塑制品的工业化生产的工艺技术准备打下良好的基础： ( 4 ) 融合金属粉末温压成形与人造板无胶热压成形的原理与技术创 新木基复合材料成形方法，促进了木材科学与技术的创新与发展。 1 5 研究内容与方法 1 5 1 研究内容 ( 1 ) 对三种不同的木质粉末的理化性能和工艺性能进行研究，其中木 质粉末的理化性能包括粉末松装密度、颗粒形貌、化学组成和粒度分布 等，工艺性能压缩性和成形性： ( 2 ) 基于响应面实验设计与分析方法进行杨木粉末成形工艺参数( 成 8 硕：i ：学位论文新型术綦复合材料的制备j 性能研究 形温度、保温时间、成形压力) 的优化； ( 3 ) 杨木粉高压无胶模塑材料的性能与结构表征：材料密度、吸水率、 力学性能、断口形貌与组织结构等； ( 4 ) 杨木粉铜粉复合材料的制备与性能、应用研究，其中复合材料 的性能研究包括基本力学性能、自润滑轴承特征性能、断口形貌与组织 结构等； ( 5 ) 根据优化实验所获得的制品尺寸数据和木质粉末的特性设计木 基复合材料高压无胶成形模具。 1 5 2 研究方法 ( 1 ) 利用3 ds s d d m 数码显微镜、标准筛、霍尔流量计和压制成形 系统等分别对三种粉末的堆密度、颗粒形貌、粒度分布、压缩性和成形 性等进行研究，选择木基复合材料基体材料的种类； ( 2 ) 以杨木粉高压模塑成形材料的静曲强度、吸水率、内结合强度等 评价指标，结合单因素试验和响应面实验设计与分析法对木质基复合材 料的高压无胶模塑成形工艺参数进行优化； ( 3 ) 根据杨木粉特性和杨木粉高压模塑成形材料的尺寸变异性，进行 高压模塑成形系统中成形模具的设计； ( 4 ) 利用力学性能测量仪、漆膜磨耗仪、电子显微镜、s e m 扫描电镜 等仪器等对制备的木质基复合材料的性能与结构表征，获得木基复合材 料基体材料粉末和金属粉末的最佳混合比例。 9 硕士学位论文新型木基复合材料的制备与性能研究 2 木质粉末的筛选 粉末通常是指尺寸小于1m m 的离散颗粒的集合体粉体，而粒径大于 l m m 则称为致密体。粉体颗粒之间有许多小孔隙且几乎没有任何联结， 颗粒表面的原子间无法形成联接力，因此粉体不具备固定的形状 7 1 - 7 2 l 。 通过模压成形等成型工艺将无固定形状的粉体压制成具有固定形状并获 得一定使用性能的致密体，需要对粉末的性能进行充分的研究，才能从 根本上把握试件加工流程及最终质量。粉末的性能包括粉末单颗粒性质、 粉末组成、粉末宏观特性及粉末的孔隙等一切性质。粉末各个性能之间 是相互影响，并决定了粉末模压试件最后的密度分布、力学性能以及微 观组织性能。 对于木质材料，影响粉末性能的因素除了原材料的性质，还有粉末 的制取方法、干燥程度，其中制取方法影响粉末的粒度、粒度组成、堆 密度、流动性能等性能，而木质粉末的干燥程度对粉末堆密度、流动性 有很大的影响，因此本文所有粉末均采用一致的制取方法，并通过干燥， 控制粉末的含水率，减少由于制取方法、干燥程度引起的实验误差。 2 1 材料与方法 2 1 1 粉末的制备 原材料来源：速生白杨枝丫材2 5k g ，采集于湖南常德市斗姆湖林区； 松木锯木屑2 5 k g ，采集于沅水局锯木厂；毛竹秆2 5k g ，采集于湖南省 桃花源。将三种原材料自然晒干后备用。 将以上的原材料制成可通过f l6 0 型粉碎机入料口的小段或小片，然 后放入真空干燥箱中进行干燥，将含水率控制在l2 l5 之间，再接 着使用fl6 0 型试验粉碎机粉碎，粉碎后用振动式振筛机分别过2 0 目、 4 0 目、6 0 目、8 0 目、l0 0 目标准筛，以试样袋封存粉末，避免受潮。 l o 硕二i ：学位论文新型术基复合材料的制备j j 性能研究 2 1 2 试验设备 粉碎机：f16 0 小型粉碎机，该粉碎机利用高速旋转十字锤片的击打 和阶梯环形碾齿之间的挤压，将小于筛孔的粉粒排出机口，因此，粉碎 机能很好保证粉粒的大小，一般细度在2 0 2 0 0 目之间； 振筛机：8 41 1 型电动振筛机； 显微镜：k e y e n c e 公司生产的v h x 6 0 0 型超景深三维立体数码显微 镜( 3 d $ s d d m ) g 干燥箱：d z f 6 0 2 0 a b 型真空干燥箱； 其他：霍尔流量计、2 0 目一2 0 0 目泰勒标准试验筛、量筒等。 2 2 三种木质粉末的理化性能 2 2 1 化学成分 化学成分是判断材料质量优劣的主要参数之一，也是木质粉末模压 成形制品力学性能的根本决定因素，木材的主要化学成分为纤维素、半 纤维素、和木质素；还有抽提物和灰分等多种少量成分。 纤维素是构成木质材料细胞的主要成分，一般纤维素含量高的木材， 其力学性能也相对要好，因为纤维是木材所有成分中的抗拉强度最大的， 因此试材的纤维素含量愈高，制品的性能愈好。 半纤维素是由几种不同类型的单糖构成的异质多聚体，高温下易分 解，具有亲水性能，因此，其含量高时将会不利于制品的疏水性，同时 会增加制品模压成形时的粘模可能性。 木质素又称作木素，是构成木材细胞壁的成分之一，具有使细胞相 连、增强细胞壁及黏合纤维的作用，因此，在工业上，木质素通常用于 胶粘剂的生产中。在模压成形试件制备中，可利用其具有热塑融合粘结 纤维胶粘纤维的能力，对木质粉末实施无胶模压成形，因此，木质素含 量高可提高板材的强度与塑化效果。 抽提物和灰分是不利于木质粉末模压成形的成分。其中，抽提物难 于被胶合物质所湿润，不利于木质粉末之间的胶粘作用；灰分是具有亲 硕士学位论文 新型术基复合材料的制备与性能研究 水性的成分，且灰分中的二氧化硅含量使材料的湿润性变差，因此，灰 分的存在也会降低制品的性能【7 7 3 。7 5 】。 表2 1 杨木试材的主要化学成分( ) 杨木 松木 毛竹 5 9 0 0 4 8 4 5 4 5 5 0 2 0 6 0 2 9 1 2 3 0 6 7 1 9 5 0 1 1 4 5 2 1 1 2 0 5 4 0 3l 1 1 0 三种原料的主要化学成分如表2 1 所示，杨木原材中含有对模压制 品性能起决定作用的纤维素与木质素的总量占到了7 9 6 ，而松木达到 7 7 5 7 ，毛竹则为7 6 17 ，可发现，杨木的化学成分比例最适于高压模 塑成形。 2 2 2 颗粒形貌 粉体颗粒形状和颗粒表面形貌对粉体流动性能、填充性能、压制性 能的影响很大，表面光滑、形状接近球形的的颗粒组成的粉体流动性能、 填充性能、压制性能较好，易于填充，且制品密度均匀性好。 粉末显微照是由k e y e n c e 公司生产的v h x 6 0 0 型超景深三维立体数 码显微镜( 3 ds s d d m ) 测得的粉末放大lo o 倍的颗粒形貌，三种粉末显微 照下的颗粒形貌如图2 1 图2 3 所示。 撩 图2 1v h x 6 0 0 超景深三维立体显微镜图2 2 杨木粉末显微照片x 10 0 硕。i ：学位论文新型术基复合材料的制箭j 性能研究 图2 3 松粉末显微照片x1 0 0图2 - 4 毛竹粉末显微照片x1 0 0 图2 2 与图2 4 中的粉末颗粒大多为长条不规则状，在压制过程中， 颗粒之间接触面积大，压坯强度高，因此成形性较好，但长条状的粉体 颗粒易产生搭桥现象，因此填充性较差，且容易导致制品密度不均；且 图2 2 与图2 4 所示的粉末颗粒大小不一，在粉末成形时，颗粒之间有交 互作用，颗粒小的粉末进入长条状的颗粒人的粉末当中，对增加成形坯 块的密度由重要作用。而图2 3 中的粉末颗粒人小比较均匀，均为块状， 因此松木粉末的搭桥现状少，粉末的振实系数肯定比杨木粉末和毛竹粉 末小。图2 2 图2 4 中的颗粒表面均有很多的须状锯齿，因此粉末的内 摩擦力较大，但由于锯齿之间的机械咬合作用，粉末具有较好的常温压 制性能。 2 2 3 粒度和粒度组成 粉末粒度是指颗粒的大小。对于粉末体而言，粒度是指颗粒的平均 大小。粒度和粒度组成是检验粉体质量以及控制与调节工艺流程的重要 依据，并直接影响粉体的成形性能。粗细粉粒的合理搭配，有利于大小 粉体之间的相互填充，提高粉体的成形性。本文利用筛分法测量三种粉 末的粒度分布，所使用的筛子为泰勒标准筛，试验取经fl6 0 小型粉碎机 粉碎后均匀混合且未经过筛的三种粉末各1o o g ，粉末颗粒粒度大小及粒 度分布比例如表2 2 所示。 由表2 - 2 可看出，杨木粉末中等颗粒( 2 0 + 10 0 目)